Bluetooth Mesh für LED-Beleuchtungssteuerung

LED-Beleuchtung hat die Beleuchtungsindustrie revolutioniert und sorgt für völlig neue Marktbedingungen. Bluetooth Low Energy ist ein für die Steuerung intelligenter Beleuchtung optimiertes Protokoll.
Aufgrund seiner einzigartigen Kombination von Low-Power-Kommunikation mit flächendeckender
Unterstützung durch Smartphones stellt es eine interessante Alternative zu anderen Kommunikationsprotokollen wie zigbee und WiFi dar und lässt sich mit weiteren Technologien zu noch intelligenteren Beleuchtungslösungen kombinieren.

Die Umstellung von vorhandenen Beleuchtungslösungen auf LED-Beleuchtung findet in drei verschiedenen Phasen mit jeweils unterschiedlichen Merkmalen statt. In der ersten Phase werden herkömmliche Lichtquellen wie Glühlampen oder Leuchtstoffröhren durch LED-basierte Lösungen ersetzt. Das wesentliche Ziel ist hierbei die Senkung der Betriebskosten durch den geringeren Stromverbrauch und die längere Lebensdauer von LED-Lichtquellen im Vergleich zu ihren herkömmlichen Gegenstücken. LED-Lampen verbrauchen ungefähr 75 Prozent weniger Energie und halten 25-mal länger als herkömmliche Glühlampen. In der zweiten Phase dieser Umstellung wird LED-Beleuchtung mit Sensoren und Steuerungen kombiniert, um die Energieeffizienz und Bedienerfreundlichkeit weiter zu optimieren. Hierzu werden vor allem drei Mechanismen verwendet:

  • Präsenzsensoren ermöglichen das automatische Ausschalten nicht benötigter Lampen. Dies ist insbesondere in größeren Büroumgebungen sinnvoll, in denen nicht immer alle Bereiche die ganze Zeit über besetzt sind.
  • Umgebungslichtsensoren können die Helligkeit der Innenraumbeleuchtung an die Menge des verfügbaren Umgebungslichts anpassen (Tageslichtanbindung). Dies ist vor allem in Gebäuden mit großen Glasfronten von Vorteil, in denen viel Umgebungslicht verfügbar ist.
  • Durch Festlegen maximaler Helligkeitseinstellungen für dimmbare Leuchten (Task-Tuning) kann eine übermäßig helle Beleuchtung vermieden und die Lichtstärke für einzelne Bereiche optimiert werden.

Für diese Anwendungsfälle ist die auf standardisierter Funktechnologie basierende LED-Steuerung aufgrund der raschen Installation und der problemlosen und weitgehend störungsfreien Nachrüstung die effektivste Lösung. Wireless ist in den vergangenen zehn Jahren dank des Fortschritts der Funktechnologie und neuer Standards für die nahtlose Kommunikation zwischen unterschiedlichen Geräten immer beliebter geworden. In der dritten Phase werden Beleuchtungssysteme auch als Datenbackbone für IoT-Anwendungen genutzt. Hierbei sorgt das Beleuchtungssystem nach wie vor für Licht, generiert zugleich aber auch eine Vielzahl von Sensordaten und transportiert sie in die Cloud. Die Hauptfunktion eines Beleuchtungssystems mit Präsenzsensoren ist beispielsweise wie bisher die Lichtsteuerung. Darüber hinaus können die Daten der Präsenzsensoren genutzt werden, um die Raumauslastung im Büro festzustellen. Zusätzlich kann das zwischen den Lichtquellen aufgebaute Funknetzwerk für die Übertragung von Sensordaten verwendet werden, die nicht direkt mit der Beleuchtungssteuerung zusammenhängen, z. B. Temperatur-, Feuchtigkeits- oder Luftqualitätssensoren. Durch die Analyse dieser Daten lassen sich verschiedene Einsichten gewinnen, die die Regelung Ihrer intelligenten Beleuchtung in Abhängigkeit von Faktoren wie Umgebungslicht, Feuchtigkeit oder CO²-Gehalt der Luft ermöglichen. Außerdem können Sie diese Daten nutzen, um Personen zu zählen, Ereignisse zu protokollieren, Werbebotschaften zum richtigen Zeitpunkt zu übermitteln oder Menschenmengen zu leiten.

Funkprotokolle und vermaschte Netzwerke

Es gibt verschiedene Funkprotokolle für kabellose Beleuchtungssteuerungen und die Kommunikation in einem Gebäudeautomationssystem. Eines der meistgenutzten Protokolle ist der Energy Harvesting- oder so genannte EnOcean-Standard. Er wurde von der EnOcean Alliance definiert, einem Konsortium internationaler Unternehmen der Gebäudeautomationsbranche. Die Funkkommunikation erfolgt auf dem Sub-1 GHz-Funkband, das bei hoher Reichweite nur ein geringes Maß an Funkstörung aufweist, da es nicht von WiFi- oder Bluetooth-Geräten genutzt wird. Bluetooth Low Energy (BLE oder Bluetooth Smart) ist eine neuere Technologie, die für das Internet der Dinge entwickelt wurde. Ihr größter Vorteil besteht darin, dass sie praktisch von jedem in den letzten Jahren hergestellten Smartphone oder Tablet unterstützt wird – und sie ist die einzige Low-Power-Funktechnologie, auf die dies zutrifft. Deshalb kann man ein intelligentes BLE-Beleuchtungssystem direkt mit den meisten vorhandenen Geräten einrichten und steuern. Dadurch lassen sich BLE-gesteuerte Systeme einfach und kostengünstig einrichten und betreiben. Eines der Unternehmen, die diese Technologie nutzen, ist Casambi. Die Casambi-Softwareplattform für die Beleuchtungsfunksteuerung ermöglicht dem Benutzer intelligenter Geräte, mühelos mit moderner Beleuchtung in der Umgebung zu interagieren. Die Casambi-Lösung eignet sich für die einfache Steuerung einzelner Beleuchtungskörper ebenso wie für industrietaugliche Systeme mit cloudbasierter Fernsteuerung, Überwachung und Datenerfassung. Die Casambi-Technologie lässt sich mühelos und kostengünstig in Beleuchtungskörper, -treiber und -module integrieren.

Neue Anwendungen

Bluetooth-basierte Beleuchtung lässt sich nicht nur direkt von Ihrem Smartphone aus steuern und konfigurieren, sondern ermöglicht auch neue Beleuchtungsfunktionen wie die Näherungserkennung (Beacon-Technologie). Hierbei erkennt das Bluetooth-Netzwerk die Position bestimmter Bluetooth-Geräte anhand der Stärke des bei den einzelnen Knoten ankommenden Signals. Bluetooth-basierte Netzwerke eignen sich hervorragend für die Näherungserkennung, da die Funkreichweite der einzelnen Knoten – anders als bei anderen Protokollen wie dem EnOcean-Funkprotokoll – sehr gering ist. Dadurch lässt sich die Position eines Senders mithilfe einer dichten Empfängerinfrastruktur sehr präzise bestimmen. Die Positionsdaten können für den Aufbau näherungsgesteuerter intelligenter Beleuchtungssysteme genutzt werden. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, eine voreingestellte Szene zu aktivieren, wenn jemand einen Raum betritt, oder die Beleuchtung so einzurichten, dass sie einer Person auf dem Weg durch ein Gebäude folgt. Auch andere Anwendungen sind denkbar. Wenn die Beleuchtung einer Vitrine in einem Laden oder Museum mit einem Beacon ausgestattet ist, könnten in der App des Händlers bzw. des Museums auf dem Smartphone des Betrachters Informationen zu der ausgestellten Ware oder dem Exponat angezeigt werden.

Energy Harvesting

Für jedes kabellose Gerät ist die Stromversorgung ein wichtiges Thema. Der herkömmliche Ansatz mit primären oder sekundären Batterien ist in großen kommerziellen Gebäuden, in denen Wartung und Ausfallzeiten einen entscheidenden Kostenfaktor darstellen, nicht sinnvoll. Dies wird rasch deutlich, wenn man bedenkt, dass in großen Bürogebäuden mehr als 10.000 einzelne Sensoren oder Schaltknoten installiert sind, deren Wartung (Batteriewechsel) einen enormen Aufwand bedeuten würde. Batterielose Sensoren und Schalter haben sich seit vielen Jahren als ideale Lösung für dieses Problem bewährt. EnOcean, Entwickler der kabellosen Energy Harvesting-Technologie, setzt solche Geräte bereits seit 2003 ein. Im Oktober 2016 wurde mit PTM 215B das erste batterielose Schaltmodul für Bluetooth Low Energy-Systeme eingeführt. Zuletzt hat EnOcean kabel- und batterielose Easyfit-Wandschalter für Bluetooth-Beleuchtungssysteme für den weltweiten Einsatz auf den Markt gebracht. In Verbindung mit batterielosen Bluetooth-Beleuchtungssystemen von Casambi bieten Easyfit-Wandschalter Beleuchtungsinstallateuren die Vorteile wartungsfreier, frei positionierbarer und gebrauchsfertiger Lösungen mit flexibler Steuerung und intuitiver Bedienung. Diese batterielosen Schalter nutzen die kinetische Energie der Tastenbetätigung, um ein Funksignal für das Ein-/Ausschalten und Dimmen der Beleuchtung zu generieren. Zusätzlich können batterielose Sensoren überall dort angebracht werden, wo an der gewünschten Sensorposition kein Stromanschluss zur Verfügung steht.

Fazit

Neue Beleuchtungslösungen auf der Grundlage von Bluetooth Mesh-Netzwerken können eine neue Infrastruktur für IoT-Anwendungen bereitstellen. Sie ermöglichen die Integration und Visualisierung verschiedener Sensordaten und bieten auf diese Weise einen wesentlich tieferen Einblick in Gebäudeparameter. Diese Lösungen können mühelos über Mobiltelefone und Tablets gesteuert und konfiguriert werden und lassen sich deshalb sehr intuitiv bedienen. Darüber hinaus verbindet die Möglichkeit, batterielose Schalter und Sensoren zu nutzen, wartungsfreien Betrieb mit freier Positionierung und einfacher Aufrüstung. Damit ist die Beleuchtung bereit für einen weiteren Technologiesprung.

Beleuchtungssteuerungsnetzwerke im Umbruch
Näherungserkennung mithilfe von funkbasierten Bluetooth-Beacons (Bild: EnOcean GmbH) Näherungserkennung mithilfe von funkbasierten Bluetooth-Beacons (Bild: EnOcean GmbH)


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